張波-變速恒頻雙饋異步發(fā)電機運行原理講義.doc

《張波-變速恒頻雙饋異步發(fā)電機運行原理講義.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《張波-變速恒頻雙饋異步發(fā)電機運行原理講義.doc（10頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

變速恒頻雙饋風力發(fā)電機運行原理 張 波 風力發(fā)電以其無污染和可再生性，日益受到世界各國的廣泛重視，近年來得到迅速發(fā)展。采用雙饋電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)相比具有顯著的優(yōu)勢，如風能利用系數(shù)高，能吸收由風速突變所產(chǎn)生的能量波動以避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩和應力，以及可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)等。 雙饋電機變速恒頻（VSCF）風力發(fā)電系統(tǒng)，是通過調節(jié)轉子繞組勵磁電流的頻率、幅值、相位和相序來實現(xiàn)變速恒頻控制。它的核心技術是基于電力電子和計算機控制的交流勵磁控制技術。 1 工作原理 1.1 雙饋電機的VSCF控制原理 VSCF風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風力機、增速箱、雙饋發(fā)電機、雙向變頻器和控制器組成。雙饋發(fā)電機可在不同的轉速下運行，其轉速隨風速的變化可作適當?shù)恼{整，使風力機的運行始終處于最佳狀態(tài)，以提高風能的利用率。當電機的負載和轉速變化時，通過調節(jié)饋入轉子繞組的電流，不僅能保持定子輸出的電壓和頻率不變，而且還能調節(jié)發(fā)電機的功率因數(shù)。 雙饋異步發(fā)電機的結構類似繞組感應發(fā)電機，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉子繞組由一臺頻率、電壓可調的低頻電源（一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器）供給三相低頻電流，圖1給出這種系統(tǒng)的原理框圖。當轉子繞組通過三相低頻電流時，在轉子中形成一個低速旋轉磁場，這個磁場的旋轉速度（n2）與轉子的機械轉速（n）相疊加，使其等于定子的同步轉速（n1），即 從而在發(fā)電機定子繞組中感應出相應與同步轉速的工頻電壓。 由上面轉速關系可以推出風力發(fā)電機轉速與定、轉子繞組電流頻率的關系，即 式中 f1、f2、n和p分別為定子電流頻率、轉子電流頻率、發(fā)電機的轉速和極對數(shù)。 當風速變化時，轉速隨之而變化。由式(1)可知，當轉速n發(fā)生變化時，若調節(jié)f2相應變化，可使f1保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，實現(xiàn)風力發(fā)電機的VSCF控制。當風力發(fā)電機處于亞同步速運行時，式(1)取正號；當風力發(fā)電機處于超同步速運行時，式(1)取負號；同步速運行時，f2=0，變流器向轉子提供直流勵磁電流。 1.2 不同運行方式下的轉子繞組功率流向 當忽略電機損耗并取定子為發(fā)電機慣例而轉子為電動機慣例時，發(fā)電機的定子輸出電功率P1等于轉子輸入電功率（轉差功率）與電機軸上輸入機械功率Pmech之和，即 式中s為轉差率。 由式(2)、(4)可知，當發(fā)電機在亞同步速運行時，s>0，需要向轉子繞組饋入電功率，由轉子傳遞給定子的電磁功率為sP1，風力機傳遞給定子的電功率只有(1-s)P1。當發(fā)電機在超同步速運行時，s<0，此時轉子繞組向外供電，即定轉子同時發(fā)電，此時風力機供給發(fā)電機的功率增至(1+|s|)P1。 雙饋發(fā)電機在低于和高于同步速不同運行方式下的輸入輸出功率關系，可用圖2功率流向示意圖表示。由于在低于和高于同步速不同運行方式下轉子繞組的功率流向不同，因此需要采用雙向變頻器。 2 勵磁控制系統(tǒng)結構 2.1 勵磁控制系統(tǒng)的基本功能 為滿足雙饋發(fā)電機低于同步速、等于同步速和高于同步速運行的各種工況要求，向轉子繞組饋電的雙向變頻器應滿足輸出電壓（或電流）幅值、頻率、相位和相序可調。通過控制勵磁電流的幅值和相位可以調節(jié)發(fā)電機的無功功率；通過控制勵磁電流的頻率可調節(jié)發(fā)電機的有功功率；通過風力機變槳距控制與發(fā)電機勵磁控制相結合，可按最佳運行方式調節(jié)發(fā)電機的轉速。 2.2 勵磁控制系統(tǒng)基本組成 VSCF雙饋風力發(fā)電機模擬試驗系統(tǒng)框圖如圖3所示。該系統(tǒng)由額定功率為2.8kW的繞線轉子感應電機 、直流拖動電動機、調壓器、IGBT交直交雙向變頻器、光電編碼器、電流及電壓傳感器、80C196MC單片機、PC機及參數(shù)顯示器等組成。 3 勵磁系統(tǒng)控制原理 3.1 變速恒頻控制 雙饋風力發(fā)電機的變速恒頻控制，就是根據(jù)風力機轉速的變化相應地控制轉子勵磁電流的頻率，使雙饋發(fā)電機輸出的電壓頻率與電網(wǎng)保持一致。實現(xiàn)變速恒頻控制可以采用兩種方法，即有轉速傳感器和無轉速傳感器的變速恒頻控制。前者控制相對容易，但需要光電編碼器；后者控制技術稍復雜一些。 圖3 所示勵磁控制系統(tǒng)采用有速度傳感器的變速恒頻控制。電機的極對數(shù)p=2，定子電流頻率f1=50Hz。將p和f1值代入式(1)，可得勵磁電流頻率f2的與電機轉速檢測信號的關系式。 亞同步速時饋入轉子的電流頻率為 式中kp是計數(shù)器在每10ms所記錄的光電編碼器的輸出脈沖數(shù)?？筛鶕?jù)光電編碼器每轉輸出2000個脈沖計算出電機轉速與kp的關系，具體推導公式詳見附錄。 圖4是雙饋發(fā)電機低于同步速運行時轉子繞組電流隨轉速調節(jié)頻率的波形。由圖可以看出，轉子電流的頻率根據(jù)轉速按式(1)的規(guī)律變化，實現(xiàn)了雙饋發(fā)電機的變速恒頻控制。 3.2 恒定電壓控制 當定子繞組開路，雙饋發(fā)電機作空載運行時,定子繞組開路相電壓的有效值為 式中 f1為定子繞組的電壓頻率；N1和kw1分別為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)和繞組系數(shù)，公式推導詳見附錄。每極磁通由轉子繞組勵磁電流決定。 由式(7)可知，當定子繞組電壓頻率f1為恒定值時，在不同轉速下只要保持轉子繞組勵磁電流值不變便可使定子繞組端電壓保持不變。然而當發(fā)電機負載運行時，由于定子繞組電阻和漏電抗壓降，以及由于定子電流電樞反應磁場的影響，即使轉子勵磁電流不變，每極磁通和定子繞組端電壓也不再是常數(shù)。為了保持在不同運行狀況下發(fā)電機端電壓恒定，需要通過電壓反饋調節(jié)轉子勵磁電流實現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制。試驗表明，雙饋發(fā)電機輸出電壓采用閉環(huán)控制后，轉速由1300r/min增加到1480r/min，定子繞組輸出電壓僅變化了0.2V。 3.3 雙饋發(fā)電機的并網(wǎng)控制 傳統(tǒng)的風力發(fā)電機組多采用異步發(fā)電機，并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊較大。雙饋發(fā)電機可通過調節(jié)轉子勵磁電流實現(xiàn)軟并網(wǎng)，避免并網(wǎng)時發(fā)生的電流沖擊和過大的電壓波動。 在圖3的勵磁控制系統(tǒng)中，并網(wǎng)前用電壓傳感器分別檢測出電網(wǎng)和發(fā)電機電壓的頻率、幅值、相位和相序，通過雙向變流器調節(jié)轉子勵磁電流，使發(fā)電機輸出電壓與電網(wǎng)相應電壓頻率、幅值及相位一致，滿足并網(wǎng)條件時自動并網(wǎng)運行。由圖5看出，并網(wǎng)后定子電流有振蕩現(xiàn)象，這是由于在并網(wǎng)試驗中沒有采用有功和無功功率閉環(huán)控制造成的，采用閉環(huán)控制后，發(fā)電機的功角保持不變可解決電流震蕩問題。 如圖5所示，并網(wǎng)前發(fā)電機電壓略高于電網(wǎng)電壓，并網(wǎng)后發(fā)電機電壓即為電網(wǎng)電壓。并網(wǎng)前發(fā)電機電流為輔助負載的電流，并網(wǎng)后的電流為饋入電網(wǎng)的電流。輔助負載用于并網(wǎng)前的發(fā)電機電壓和電流監(jiān)測，并網(wǎng)后將輔助負載切除。為了便于并網(wǎng)前后發(fā)電機定子繞組電壓電流的比較，并網(wǎng)試驗中采用了輔助負載檢測并網(wǎng)前定子繞組的電壓和電流，在實際VSCF系統(tǒng)中，不一定需要輔助負載，可檢測與比較電網(wǎng)和發(fā)電機的端電壓以確定是否滿足并網(wǎng)條件。 3.4 三態(tài)轉換控制 在亞同步速運行時，變頻器向轉子繞組饋入交流勵磁電流，同步速運行時變流器向轉子繞組饋入直流電，而超同步速運行時轉子繞組輸出交流電通過變流器饋入電網(wǎng)。亞同步、同步和超同步三種不同運行狀態(tài)的動態(tài)轉換是變速恒頻雙饋風力發(fā)電機勵磁控制的一項關鍵技術。 由于風速變化的不穩(wěn)定性，風力發(fā)電機難以長時間穩(wěn)定運行在同步速。為了避免反復跨越同步點和在同步速附近小轉差區(qū)的控制難度，在實際變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，總是把穩(wěn)定運行工作點選在避開同步速附近小轉差區(qū)(|s|<0.05)以外的區(qū)間。自然，跨越同步點是難免的。 跨越同步點的三種運行狀態(tài)的轉換可采用兩種不同的方法，一是采用“交-直-交”控制模式，二是采用“交-交”控制模式?！敖?直-交”控制模式是隨著發(fā)電機轉速的增高逐漸降低轉子繞組電流的頻率，當轉速接近同步速時供給轉子繞組直流（此時轉子三相繞組為“兩并一串”的聯(lián)接方式而變頻器控制不同橋臂的三個功率開關器件同時導通或關閉，輸出可控的直流勵磁電流）。當轉速超過同步速后，變流器停止直流供電，此時轉子繞組向變流器輸出轉差頻率的交流電。采用“交-直-交”控制模式的發(fā)電機跨越同步速時的轉子電流實測波形如圖6所示?！敖?交”控制模式因省去了向轉子繞組供直流電的環(huán)節(jié)，控制稍微容易一些，但三種運行狀態(tài)轉換的平滑性稍差一些，其轉子電流試驗波形如圖7所示。 參考文獻： ⑴中國電機工程學報 第23卷 第11期 2003年11月 林成武 王鳳翔 姚興佳 ⑵《風力發(fā)電》講座 第三講 中國科學院電工研究所 倪受元 ⑶《電機學》中國電力出版社 第三版 東南大學 周鶚 ⑷《風力發(fā)電》中國電力出版社 王承熙 張源 附錄： 1、公式推導： （1）推導： 由于，且 ，所以 （2）推導： 設發(fā)電機轉子轉速為n r/min，則1ms電機轉速為 r/ms，所以10ms輸出脈沖個數(shù)，又，代入上式得，故 （3）推導： 設，則空載電動勢， 因此 ，其中， 2、功角 d=將d=y-j定義為功角。它表示發(fā)電機的勵磁電勢（空載電勢）和端電壓之間相角差。功角對于研究電機的功率變化和運行的穩(wěn)定性有重要意義。y為內(nèi)功率因數(shù)角，其定義為空載電勢與負載電流之間的夾角。 如圖所示： 根據(jù)電機學原理，在忽略電機電樞繞組電阻情況下，隱極發(fā)電機的有功功率和無功功率可分別表示為 其中，U為發(fā)電機的端電壓，Eq為發(fā)電機的感應電勢，xd為發(fā)電機的同步電抗，δ為感應電勢與端電壓間的相位夾角(稱為發(fā)電機的功率角或功角)，P為有功功率，Q為無功功率。當感應電勢和電壓恒定時，傳輸?shù)挠泄β适枪铅牡恼液瘮?shù)。 3、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管) IGBT是以GTR(功率晶體管)為主導元件，MOSFEET(電力場效應晶體管)為驅動元件的復合管。 等效電路圖如下: